CN116753190B - 一种带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮 - Google Patents
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Abstract
本发明所属领域为离心压缩机技术领域。本发明公开了一种带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,包括沿气流方向依次设置的入口前置导叶、混流式叶轮、中间静叶栅和离心式叶轮,所述混流式叶轮和离心式叶轮固定在轮毂上,所述混流式叶轮和离心式叶轮通过所述中间静叶栅连接,所述进口静叶栅和中间段静叶栅安装在轮盘上。混流式叶轮和离心式叶轮的叶片出口安装角可分别各自取较大值,以提高二者的做功能力。第二段离心式叶轮增加了叶片数,减小滑移系数,提高做功能力。本发明提供的叶轮相对传统叶轮具有更高的静压压比和做功能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种串列离心式压缩机叶轮,尤其涉及一种采用混流式及离心式组合叶轮的离心式压缩机,属于离心式压缩机技术领域,特别适合于高压比、稀薄气体的压缩,例如低温(小于12℃)饱和水蒸气。
背景技术
离心式压缩机被广泛应用于多种工业领域,例如空分、石化、制冷等。离心式叶轮是离心式压缩机中的唯一做功部件,其通流能力决定着离心式叶轮直径的大小,其做功能力决定着单级压比,进而决定着机器的级数。提高叶轮通流能力和提高叶轮的单级压比可以减小叶轮尺寸同时减小机器级数,这些都能够减小机器成本。在一些应用场合,叶轮的单级压比决定离心式压缩机能否达到压比要求,例如在水蒸气的压缩过程中,欲将10℃、1.228kPaA的饱和水蒸气通过单级压缩至饱和温度30℃对应的饱和压力4.25kPaA,受制于材料强度的限制,这在理论上是无法实现的。然而采用本发明所述叶轮,可以达到压力要求。其原因为,气流经前置导叶进入混流式叶轮,带有负冲角,这提高了混流式叶轮的做功能力;气流进入级间静叶,在静叶中进一步扩压,然后经导流后进入二级离心式叶轮,此时入口仍带有负冲角,这提高了离心式叶轮的做功能力;两个带有负冲角的叶轮和带有扩压导流作用的静叶栅,整个叶轮的做功能力得以大幅提高,能够实现上述水蒸气增压要求。此外,由于中间静叶带有扩压作用,使得整个叶轮的扩压部分更多,相比于传统叶轮,具有获得更高的压比。
当两者具有相同的叶轮直径、转速、出口叶片安装角及扩压器进出口直径时,本发明所述叶轮的扩压器出口具有更高的静压。当压缩机内气体工质密度很低时,例如10℃饱和水蒸气的密度是0.0094071kg/m3,这导致Re数小,粘性力占主导,此时如果采用传统的全长叶片压缩气体,固体壁面的气体难以脱离,导致难以输运。
发明内容
为了提高离心式压缩机叶轮压比,克服当压缩机内气体工质密度很低时粘滞力过大的问题,本发明提供了一种带有中间静叶栅的串列式离心压缩机叶轮。
一种带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,其特征在于:包括沿气流方向依次设置的入口静叶栅、混流式叶轮、中间静叶栅和离心式叶轮,所述混流式叶轮和离心式叶轮固定在轮毂上,所述混流式叶轮和离心式叶轮通过所述中间静叶栅连接,所述进口静叶栅和中间静叶栅安装在轮盘上。
在上述技术方案中,混流式叶轮和离心式叶轮固定在同一根轴上。
在上述技术方案中,所述混流式叶轮带有前置导叶。
在上述技术方案中,所述混流式叶轮的轮毂侧子午线和轴线夹角为Ø,Ø=20~30°。
在上述技术方案中,所述混流式叶轮的出口宽度b2和半径D2之比值为b2/D2,b2/D2≥0.09。
在上述技术方案中,所述中间静叶栅叶片圆周方向截面形状为入口薄,中后段厚,出口薄的翼型。
在上述技术方案中,所述中间静叶栅子午面出口宽度略有收缩,收缩率为0.97-0.99;
在上述技术方案中,所述离心式叶轮的出口叶片数为Z,Z≥20,该叶轮的轮毂比d/D2的数值为0.35-0.5。
在上述技术方案中,所述混流叶轮和离心式叶轮的出口叶片的安装角为β2A,二者均有β2A≥60°。
相对于现有技术,本发明能取得以下有益效果:
相比于传统离心式叶轮,本发明所述串列式叶轮具有更高的做功能力,其原因为第一段混流叶轮入口带有前置导叶,能使气流进入叶轮时保持负冲角Δβ1,从而提高做功能力,同理第二段离心入口气流也保持一定的负冲角,从而提高做功能力。
相比传统轴流式叶轮加离心式叶轮的做法,本发明所述串列式叶轮具有更高的做功能力,原因为第一段采用了混流式叶轮,混流式叶轮比轴流叶轮具有更高的做功能力。
相比传统轴流加离心式叶轮的做法,本发明所述串列式叶轮更小的轴向尺寸。
相比于传统离心式叶轮,第二段离心式叶轮可以增加叶片数Z一步提高做功能力,其原因为第二段离心式叶轮具有较大的轮毂比,d1/D2值为0.35-0.5,叶轮入口不易阻塞。传统叶轮d/D2值通常小于0.3。
相比于传统离心式叶轮,所述第一段混流式叶轮和第二段离心式叶轮均增加各自的出口叶片安装角β2A,这更进一步的提高了叶轮做功能力;所述两段叶轮之间的静叶栅具有扩压作用,回收了一部分气体的动压,然后再次进入离心式叶轮被做功,这更进一步的提高了叶轮做功能力。
相比于传统离心式叶轮,所述串列式叶轮具有更高的通流能力,原因为第一段动叶采用了混流式叶轮。串列式叶轮具有更高的做功能力,这能够减小压缩机整机的级数,从而减小机器尺寸、降低成本。
当叶轮入口工质为小于10℃的饱和水蒸气时,由于粘性大、气体密度小的影响,气体和固体壁面难以脱离,连续叶轮内部难以建立连续的流动,气体在叶轮内部被反复搅动,但是叶轮出口没有流量,采用本发明所述叶轮后,上述问题得以解决,叶轮内部容易建立稳定的连续流动,叶轮能够正常工作。
附图说明
图1a 为本发明的带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮子午剖视图;
图1b 为本发明的带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮轴向示意图;
图2 为本发明改进后串列式叶轮性能曲线图;
图3 为对比传统叶轮性能曲线图;
图4 为本发明串列式离心叶轮三维图;
图5 为对比传统连续离心叶轮三维图;
图6 为本发明串列式离心叶轮50%叶高处压力分布;
图7 为对比传统叶轮50%叶高处压力分布;
图8 为本发明中间静叶栅叶片截面形状;
附图中标号含义为:
1为轮盘;2为前置导叶;3为混流式叶轮;4为中间静叶栅;5为离心式叶轮;6为轮毂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明,应当理解,此处所描述的具体实施方式仅为解释本发明,而不用于限定本发明。
实施例1
一种带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,包括沿气流方向依次设置的前置导叶2、混流式叶轮3、中间静叶栅4和离心式叶轮5,混流式叶轮3和离心式叶轮5固定在轮毂6上,旋转时两个叶轮具有相同的速度,两段叶轮和中间静叶栅4一起构成完整的叶轮。
混流式叶轮3和离心式叶轮5通过中间静叶栅4连接,前置导叶2和中间段静叶栅4安装在轮盘1上。前置导叶2起到导流作用,中间段静叶栅4起到导流和扩压作用。混流式叶轮3和离心式叶轮5固定在同一根轴上。混流式叶轮3带有前置导叶2。
气流通过前置导叶2调整角度,入口气流角保持负冲角Δβ1=15°,以提高混流式叶轮3的做功能力。混流式叶轮3轮毂侧子午线和轴线夹角为Ø=20°,该夹角提高了混流式叶轮3的做功能力。混流式叶轮3出口宽度b2和半径D2之比值b2/D2=0.1,大出口宽度提高了混流式叶轮3的通流能力。
出口离心式叶轮5的出口叶片数为Z=20片,多叶片数减小了滑移系数,提高了做功能力。所述出口侧离心式叶轮5的轮毂比d/D2值为0.48,大轮毂比在增加叶片数时减小了阻塞系数,提高了通流能力,同时能够保持叶轮具有较高的多变效率,和普通叶轮效率基本一致,总总效率在93%以上。
混流式叶轮3和离心式叶轮5,均可各自设置叶片安装角β2A,其中混流式叶轮3的β2A=70°,离心式叶轮5的β2A=65°。大出口安装角提高了叶轮的做功能力。
所述中间静叶栅4具有扩压和导流作用,其入口保持无冲击入口,气流经过扩压后再改变角度,使得气流进入出口侧离心式叶轮5,保持Δβ1=15°的负冲角,以提高离心式叶轮5做功能力,同时能够提高叶轮的通流能力。其次,中间静叶栅4子午面出口宽度略有收缩,收缩率为0.97,如图1a所示,这有助于防止气流在静叶栅中发生分离。另外,中间静叶栅4叶片截面为入口薄,中后段较厚,出口薄,如图8所示的翼型。入口薄有利于减小阻塞,中后段的厚度抑制流动分离,出口薄有利减小尾迹损失并保持气流均匀进入离心叶轮5。
附图2~7所示,为本发明的一个具体实施例的叶轮子午三维造型以及性能对比,具体如下 :针对入口温度12℃,压力1.4kPaA的饱和水蒸气,叶轮直径D2=440mm,叶轮进口轮盘直径D1=310mm,叶轮出口宽度b2=32mm,出口叶片安装角β2A=65°,转速n=22000rpm,无叶扩压器出口直径D4=572mm,无叶扩压器出口宽度b4=32mm。上述参数被应用于两个叶轮,分别是本发明所述的串列式离心叶轮和传统连续叶轮,使二者具有相同的叶轮直径D2、相同的叶轮出口宽度b2、相同的出口叶片安转角β2A。本发明所述叶轮的第一段混流叶轮的轮毂直径d和对比传统叶轮轮毂直径取相同值110mm。本发明所述叶轮的第一段混流叶轮的进口叶顶直径和对比传统叶轮叶顶直径取相同值310mm。通过设定相同的参数,使本发明所述叶轮的第一段混流叶轮的进口叶顶直径和对比传统叶轮理论上具有相同的通流能力和做功能力。本发明所述串列式叶轮的第一段混流叶轮参数为:轮毂侧子午线和轴线夹角为Ø=20~30°,出口叶片安装角β2A=70°,叶片数Z=18。本发明所述串列式叶轮的中间静叶栅参数为:叶片数Z=21,出口叶片安装角β2A=105°。本发明所述串列式叶轮的第二段离心叶轮参数为:轮毂比d/D2值为0.48,叶片数Z=20。作为对比的传统连续叶轮参数为:轮毂比d/D2值为0.25,叶片数Z=18。对两个叶轮加扩压器进行了数值仿真,计算结果表明本发明所述串列式叶轮扩压器出口和第一段叶轮进口处的总总压比为3.2,高于对比传统叶轮扩压器出口和叶轮入口处的总总压比3.1,表明本发明所述串列式离心叶轮具有更高的做功能力;其次,对比二者相同进出口处的静静压比,本发明所述串列式叶轮扩压器出口和第一段叶轮进口处的静静压比为2.52,高于对比传统叶轮扩压器出口和叶轮入口处的静静压比2.23,表明本发明所述串列式离心叶轮具有更高的静静压比。图2和图3分别是本发明所述串列式离心叶轮和对比传统叶轮的性能曲线图(带无叶扩压器),本发明所述叶轮具有更高的压比,即具有更高的做功能力;同时由于采用了混流式叶轮和负冲角,本发明所述叶轮也具有更大的流量。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施例,任何熟悉本技术领域的技术人员利用本发明书内容所做的等效结构变换,或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,其特征在于:包括沿气流方向依次设置的前置导叶(2)、混流式叶轮(3)、中间静叶栅(4)和离心式叶轮(5),所述混流式叶轮(3)和离心式叶轮(5)固定在轮毂(6)上,所述混流式叶轮(3)和离心式叶轮(5)的出口叶片安装角β2A≥60°,所述混流式叶轮(3)和离心式叶轮(5)通过所述中间静叶栅(4)连接,所述前置导叶(2)和中间段静叶栅(4)安装在轮盘(1)上,中间段静叶栅(4)为翼型,所述中间静叶栅(4)子午面出口宽度略有收缩,收缩率为0.97-0.99。
2.根据权利要求1所述的带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,其特征在于,所述混流式叶轮(3)和离心式叶轮(5)固定在同一根轴上,具有相同转速。
3.根据权利要求1所述的带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,其特征在于,所述混流式叶轮(3)带有前置导叶(2)。
4.根据权利要求1所述的带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,其特征在于,所述混流式叶轮(3)的轮毂侧子午线和轴线夹角为Ø,Ø=20~30°。
5.根据权利要求1所述的带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,其特征在于,所述混流式叶轮(3)的出口宽度b2和半径D2之比值为b2/D2≥0.09。
6.根据权利要求1所述的带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,其特征在于,所述离心式叶轮(5)的出口叶片数为Z,Z≥20,该叶轮轮毂直径d和叶轮直径D2之比为轮毂比d/D2,其数值范围为0.35-0.5。
7.根据权利要求1所述的带有中间静叶栅的串列式离心式压缩机叶轮,其特征在于,所述中间静叶栅(4)叶片圆周方向截面形状为入口薄,中后段厚,出口薄的翼型。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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